面向新能源消納的信息-物理-社會標(biāo)準(zhǔn)化信息模型及其應(yīng)用

徐 箭，吳煜暉，廖思陽，孫榮富，王靖然，王 俊

（1. 武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院,湖北省武漢市 430072；2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司,北京市 100054）

0 引言

中國在2020 年提出了“碳達(dá)峰·碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo),未來新能源將逐步成為裝機(jī)和電量主體,提高電力系統(tǒng)的新能源消納能力、保障電網(wǎng)的可靠運(yùn)行已經(jīng)成為中國能源安全和能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略實(shí)施的重要目標(biāo)。利用市場化手段促進(jìn)資源配置,發(fā)揮源網(wǎng)荷儲各類資源的調(diào)節(jié)能力,是提高新能源消納能力的有效途徑。各類適應(yīng)新能源發(fā)展和消納的市場化理論機(jī)制［1-4］已被提出和研究,然而市場環(huán)境下面向消納提升的新能源智能調(diào)控應(yīng)用亟須完善。新能源消納提升應(yīng)用需要與電力物聯(lián)網(wǎng)與能量管理系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)以及市場運(yùn)營管理系統(tǒng)等軟件之間形成協(xié)同應(yīng)用,才能最大化挖掘市場潛力,發(fā)揮電力企業(yè)積累的海量新能源運(yùn)行數(shù)據(jù)資源的價(jià)值［5］,促進(jìn)新能源消納。

準(zhǔn)確構(gòu)建新能源消納評估模型對促進(jìn)新能源消納具有重要意義。文獻(xiàn)［6］通過新能源消納生產(chǎn)模擬剖析了產(chǎn)生新能源消納問題的原因以及解決措施。文獻(xiàn)［7-8］提出新能源消納影響因素貢獻(xiàn)度的概念,分析各個(gè)因素之間的相互作用,設(shè)計(jì)了新能源消納影響因素的敏感性計(jì)算方法,建立了新能源消納多變量綜合評估模型。上述研究均未考慮社會類因素對新能源消納能力的影響。事實(shí)上,新能源補(bǔ)貼政策調(diào)整、大氣污染防治限產(chǎn)、民生供熱、電力市場化交易等社會化因素通過電力物聯(lián)網(wǎng)傳導(dǎo)、事件驅(qū)動等方式直接影響電力平衡關(guān)系,社會化因素導(dǎo)致的電力供需變化會對新能源消納產(chǎn)生重大影響［5］。文獻(xiàn)［9］將電動汽車聚合商與充電成本之間的相依關(guān)系作為社會類信息,研究了基于信息物理社會融合的新能源消納策略。文獻(xiàn)［10-11］闡述了新能源消納能力評估計(jì)算所需的數(shù)據(jù)集合,涉及發(fā)電資源、輸電資源、負(fù)荷資源等全部市場主體以及相關(guān)的社會類信息。關(guān)于新能源消納的計(jì)算模型研究已十分成熟,但用于信息交互的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型還不夠全面。

公共信息模型（common information model,CIM）是電力系統(tǒng)信息集成和互操作的基礎(chǔ),其通過國 際 標(biāo) 準(zhǔn)IEC 61970、IEC 61968 和IEC 62325 定義［12-14］。IEC 61970/61968 主要體現(xiàn)了設(shè)備的物理特性。IEC 62325 面向電力市場,描述了市場環(huán)境下所需要進(jìn)行信息交互的場景,包括通過市場運(yùn)營方式實(shí)現(xiàn)日前機(jī)組組合、通過調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)日內(nèi)實(shí)時(shí)電力平衡、基于節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)進(jìn)行結(jié)算等,但并未涉及新能源參與電力市場的場景。目前,圍繞公共信息模型擴(kuò)展的研究主要基于IEC 61970/61968 進(jìn)行擴(kuò)展,研究對象多為輸配網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)［15-18］等物理實(shí)體的建模,并未涵蓋新能源消納評估模型、新能源消納措施的建模。

針對以上不足,本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)面向新能源消納的信息-物理-社會標(biāo)準(zhǔn)化信息模型并實(shí)際應(yīng)用。首先,闡述了標(biāo)準(zhǔn)化信息模型在新能源消納應(yīng)用構(gòu)建過程中的重要作用。然后,結(jié)合新能源消納模型、IEC CIM 標(biāo)準(zhǔn)的最新成果,從面向新能源消納評估、新能源消納業(yè)務(wù)兩方面構(gòu)建形成面向新能源消納的信息-物理-社會標(biāo)準(zhǔn)化信息模型。最后,在冀北地區(qū)集成了該標(biāo)準(zhǔn)化信息模型,提升了新能源消納相關(guān)應(yīng)用間數(shù)據(jù)交互的效率及安全性,簡化了應(yīng)用發(fā)研發(fā)過程。

1 “消納評估模型層-電力市場運(yùn)營管理層”兩層架構(gòu)

電力市場環(huán)境主要通過電力市場運(yùn)營管理系統(tǒng)軟件進(jìn)行管理,其使用者一般為區(qū)域輸電運(yùn)營機(jī)構(gòu)（regional transmission organization,RTO）或者獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)（independent system operator,ISO）［14］,其業(yè)務(wù)流程包括確認(rèn)、計(jì)劃、結(jié)算、輸電能力分配、備用資源安排等。市場運(yùn)營管理系統(tǒng)以市場運(yùn)營包（MarketOperations Package）為核心進(jìn)行開發(fā)以及與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。該包在IEC 62325 中進(jìn)行了定義,包含了日前機(jī)組組合、電力平衡、節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)結(jié)算、阻塞收益權(quán)拍賣、表計(jì)數(shù)據(jù)管理與競價(jià)結(jié)算等一系列模型。

在新能源參與電力市場后,有諸多措施可以促進(jìn)新能源消納,包括采用更短的實(shí)時(shí)市場周期、增加機(jī)組組合運(yùn)行的頻次、新能源參與市場投標(biāo)、引入新的輔助服務(wù)、容量市場中考慮新能源出力影響等［19］,通過對市場運(yùn)營包中的模型直接復(fù)用或者集成,可以在信息系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上述促進(jìn)新能源消納的措施。

在采取這些措施前,需要進(jìn)行能源消納能力評估,即建立電力系統(tǒng)詳細(xì)的電力電量平衡模型,通過時(shí)序生產(chǎn)模擬仿真技術(shù)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)電力系統(tǒng)可消納的新能源發(fā)電量。新能源消納能力評估的核心就是確定消納評估模型。

本文設(shè)計(jì)了“消納評估模型層-電力市場運(yùn)營管理層”的兩橫兩縱新能源消納信息架構(gòu),旨在闡述信息-物理-社會標(biāo)準(zhǔn)化信息模型在新能源消納應(yīng)用構(gòu)建過程中的重要作用,如圖1 所示。

圖1 新能源消納兩橫兩縱信息架構(gòu)Fig.1 Two-column-two-row information architecture for renewable energy accommodation

1）消納評估模型層。對新能源消納評估所涉及的社會類信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模,將消納相依事件驅(qū)動分析過程（針對特定區(qū)域通過關(guān)聯(lián)分析方法挖掘出消納強(qiáng)相關(guān)子集）進(jìn)行建模,這兩部分模型組合起來即為面向新能源消納評估的社會類信息標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型。

2）電力市場運(yùn)營管理層。通過時(shí)序生產(chǎn)模擬仿真技術(shù)對新能源消納量進(jìn)行評估,然后對IEC 62325 市場運(yùn)營包進(jìn)行擴(kuò)展得到新能源消納業(yè)務(wù)信息模型實(shí)現(xiàn)促進(jìn)新能源消納的措施。

2 面向新能源消納評估的社會類信息標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型

2.1 新能源消納評估“信息-物理-社會”數(shù)據(jù)收集及分析

本文在文獻(xiàn)［11］的基礎(chǔ)上對新能源消納評估相關(guān)的數(shù)據(jù)來源進(jìn)行了擴(kuò)展。

1）現(xiàn)有系統(tǒng)平臺運(yùn)行情況,包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、廣域監(jiān)測系統(tǒng)、配電管理系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、營銷管理系統(tǒng)、配電網(wǎng)微型同步相量測量裝置、自動發(fā)電控制系統(tǒng)、現(xiàn)貨市場交易系統(tǒng)、調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)系統(tǒng)、調(diào)控計(jì)劃系統(tǒng)、一次設(shè)備檢修系統(tǒng)等。

2）《電力調(diào)度通用數(shù)據(jù)對象結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)》［20］規(guī)范數(shù)據(jù),包括調(diào)控云與業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間交互的元數(shù)據(jù)、字典數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3）Q/GDW 11628—2016《新能源消納能力計(jì)算導(dǎo)則》［10］中規(guī)定的新能源消納能力評估所需數(shù)據(jù)。

4）發(fā)電廠并網(wǎng)時(shí)各場站考核以及補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用,光伏電站扶貧收益等。

5）供暖面積、清潔供暖面積、供暖期等民生供熱信息。

然后,采用面向?qū)ο蟮姆治龇椒ǚ治錾鲜鰯?shù)據(jù)集,按照對象-屬性的方式提煉出網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、氣象信息等對象,對象之間存在依賴關(guān)系。最后,基于業(yè)務(wù)信息總結(jié)電網(wǎng)信息、經(jīng)濟(jì)信息等主題形成主題-對象-屬性三層結(jié)構(gòu),如附錄A 圖A1 所示,為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化建模提供參考依據(jù)。

2.2 基于“現(xiàn)象-數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)提供者”模式的新能源消納數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化建模方法

在擴(kuò)展CIM 時(shí)需要分析現(xiàn)有模型中是否有相似的類,如果有,則繼承該類并添加新的屬性,并加入合適的包中。擴(kuò)展CIM 的步驟如附錄A 圖A2 所示。針對IEC 62325 進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其環(huán)境包與新能源消納評估信息-物理-社會數(shù)據(jù)存在相似之處,對環(huán)境包進(jìn)行繼承并添加新屬性形成的新對象可以適用于新能源消納評估信息-物理-社會數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化建模。

通過對環(huán)境包的構(gòu)建模式進(jìn)行分析和提煉,可以總結(jié)為“現(xiàn)象-數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)提供者”模式,即環(huán)境信息可以被分類為各種環(huán)境現(xiàn)象,各類環(huán)境現(xiàn)象均有環(huán)境數(shù)據(jù)以及提供者,如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)象-數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)提供者模式Fig.2 Phenomenon-data-provider pattern

由于本文涉及的類較多,在文中僅顯示中文,其對應(yīng)的英文單詞見附錄A 表A1。

1）現(xiàn)象包括現(xiàn)象、警告、事件等類。環(huán)境現(xiàn)象基類被繼承為空間、大氣、水體等幾個(gè)環(huán)境現(xiàn)象子類,每個(gè)環(huán)境現(xiàn)象子類可以集成出新的環(huán)境現(xiàn)象子類,最終實(shí)現(xiàn)對地震、泥石流、臺風(fēng)、海嘯等現(xiàn)象的建模。

2）數(shù)據(jù)包括模擬、量測等類?；诳臻g、大氣、水體等環(huán)境現(xiàn)象子類分別定義空間現(xiàn)象類別枚舉值（枚舉值包括磁場方向、磁場強(qiáng)度等）、大氣現(xiàn)象類別枚舉值（枚舉值包括氣壓、濕度、降水量、風(fēng)速、能見度等）、水體現(xiàn)象類別枚舉值（枚舉值包括洪水等級、地表溫度、海平面溫度等）；基于IEC 61970 中Meas包中的模擬類繼承出環(huán)境模擬值基類,對該基類添加不同類型的屬性分別形成空間模擬值類、大氣模擬值類、水體模擬值類；基于IEC 61970 中Meas 包中的字符串量測值類繼承出環(huán)境量測值基類。

3）數(shù)據(jù)提供者包括數(shù)據(jù)提者類、監(jiān)測站類等?；贗EC 61968 公共包的組織角色類繼承出環(huán)境數(shù)據(jù)提供者類；基于IEC 61968 公共包的位置類、IEC 61968 計(jì)量包的用電點(diǎn)類聚合成環(huán)境監(jiān)測站類,該類與環(huán)境模擬值基類、環(huán)境量測值基類存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。

采用“現(xiàn)象-數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)提供者”對新能源消納評估“信息-物理-社會”數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模,過程如下:

1）建 立 CPSREA（cyber-physical-social for renewable energy accommodation）包,這個(gè)包中包含了一系列用于描述新能源消納評估相關(guān)的信息-物理-社會數(shù)據(jù)模型的類。

2）在CPSREA 包 中 定 義 基 類CPSREAEvent。并從基類中繼承得到5 個(gè)現(xiàn)象子類,包括電網(wǎng)信息、經(jīng)濟(jì)信息、氣象信息、政策信息、環(huán)保信息。再從這5 個(gè)現(xiàn)象子類中再繼承出相應(yīng)的現(xiàn)象子類,例如從經(jīng)濟(jì)信息子類中可以繼承得到價(jià)格信息、經(jīng)濟(jì)指數(shù)、建筑面積、生產(chǎn)總值等 4 個(gè)子類。 基于CPSREAEvent 的標(biāo)準(zhǔn)化模型擴(kuò)展圖如附錄B 圖B1所示。

3）基于各現(xiàn)象子類定義枚舉值。基于枚舉值形成各“現(xiàn)象”的“數(shù)據(jù)”類,即模擬值類、量測值類。基于“數(shù)據(jù)”類形成“數(shù)據(jù)提供者”類,即監(jiān)測站類、數(shù)據(jù)提供者。圖3 為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（numerical weather prediction,NWP）數(shù)據(jù)的新能源消納評估“信息-物理-社會”標(biāo)準(zhǔn)化信息模型。

圖3 NWP 數(shù)據(jù)“信息-物理-社會”CIM 框圖Fig.3 Cyber-physical-social CIM block diagram of NWP data

至此,本文完成了對新能源消納評估所涉及的信息-物理-社會數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模,完整模型見附錄B 圖B2,具體過程見附錄B。

2.3 消納相依事件驅(qū)動分析的標(biāo)準(zhǔn)化建模方法

2.2 節(jié)中構(gòu)建的新能源消納評估信息-物理-社會數(shù)據(jù)模型中涵蓋的信息多為動態(tài)數(shù)據(jù),從對象上涵蓋了分布式電源、儲能、風(fēng)電、光伏等設(shè)備,從來源上看分布于機(jī)組、場站、集控中心以及調(diào)度各層級監(jiān)控系統(tǒng)中［5］,具有超維、多變、可追朔等復(fù)雜特性,且評估不同地區(qū)的新能源消納結(jié)果所需的信息不盡相同。

消納相依事件驅(qū)動分析指的是針對特定地區(qū)通過關(guān)聯(lián)分析方法從中篩選出對新能源消納具有強(qiáng)因果關(guān)系的子集,常見的方法有皮爾遜相關(guān)系數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)性以及因果分析方法等。進(jìn)一步將對消納相依事件驅(qū)動分析過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模,步驟如下:

1）建立AREA（Analysis for Renewable Energy Accommodation）包,這個(gè)包中包含了一系列用于描述消納相依事件驅(qū)動分析過程的類；

2） 定 義 關(guān) 聯(lián) 分 析 方 法 枚 舉 類 型CorrelationKind,如表1 所示。此處僅列舉了部分關(guān)聯(lián)分析方法,可以根據(jù)實(shí)際需求對該枚舉類型的值進(jìn)行擴(kuò)展。

表1 CorrelationKind 描述Table 1 Description of CorrelationKind

3）定義新能源消納因素基類REAFactors,具體屬性見表2。

表2 類REAFactors 屬性描述Table 2 Description of attributes of class REAFactors

4）基于基類REAFactors 繼承得到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因素類、發(fā)電信息因素類、負(fù)荷信息因素類、運(yùn)行信息因素類、新能源信息因素類、價(jià)格信息因素類等,這些類與2.2 節(jié)中定義的各量測值類、模擬值類聚合,并定義布爾類型的屬性correlation 用來表達(dá)該類是否與新能源消納強(qiáng)相關(guān),得到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相依類、發(fā)電信息相依類、負(fù)荷信息相依類、運(yùn)行信息相依類、新能源信息相依類、價(jià)格信息相依類等。附錄B 圖B3介紹了NWP 相關(guān)的模型定義,其余領(lǐng)域定義方式類似。

5）定義類REAAnalysis,該類與步驟4 中定義的各Result 類存在關(guān)聯(lián)關(guān)系,用于對各因素進(jìn)行消納相依事件驅(qū)動分析,并將分析結(jié)果反饋給各Result 類,REAAnalysis 有 一 個(gè)CorrelationKind 類 型的屬性method,用于表示消納相依事件驅(qū)動分析采用的關(guān)聯(lián)分析方法。REAAnalysis 類的CIM 框圖如附錄B 圖B4 所示。

至此,通過2.2 節(jié)中定義的CPSREA 包和本節(jié)定義的AREA 包,一起形成了面向新能源消納評估的社會類信息標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型。

3 新能源消納業(yè)務(wù)信息模型

3.1 市場運(yùn)營包剖析

IEC 62325 市場運(yùn)營包被細(xì)分為6 個(gè)子包,分別是阻塞收益權(quán)包、市場運(yùn)行公共包、市場計(jì)劃包、市場品質(zhì)系統(tǒng)包、市場系統(tǒng)外部輸入包、市場系統(tǒng)交易結(jié)果包［14］,如表3 所示。

表3 IEC 62325 市場運(yùn)營包描述Table 3 Description of IEC 62325 MarketOperations Package

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)IEC 62325 市場運(yùn)營包已經(jīng)包含了市場運(yùn)行所需的絕大多數(shù)措施的模型,例如:

1）更短的實(shí)時(shí)市場周期:將市場計(jì)劃包中的市場類的參數(shù)timeIntervalLength（float 類型）由15 改為5,參數(shù)tradingPeroid（String 類型）調(diào)整為minute。

2）增加機(jī)組組合運(yùn)行的頻次:將市場系統(tǒng)外部輸入包中通用約束類的參數(shù)intervalEndTime 與intervalStartTime（DateTime 類型）之間的差縮小。

但也有部分措施無法直接在IEC 62325 市場運(yùn)營包中的模型直接描述,例如:

1）限制峰風(fēng)電機(jī)組爬坡措施:需要在市場運(yùn)行公共包中引入風(fēng)電機(jī)組模塊,并在市場系統(tǒng)外部輸入包中增加對象的約束。

2）容量市場考慮新能源出力因素:需要在市場計(jì)劃包中增加新能源容量貢獻(xiàn)模型,并與能量市場類產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

3.2 新能源消納業(yè)務(wù)信息模型定義

根據(jù)3.1 節(jié)的分析,新能源消納業(yè)務(wù)信息模型主要包括引入新能源機(jī)組模塊約束及響應(yīng)約束、增加新能源容量貢獻(xiàn)模型及其關(guān)聯(lián),如圖4 所示,具體步驟如下:

1）IEC 現(xiàn)行的CIM 標(biāo)準(zhǔn)中只設(shè)計(jì)了抽水蓄能和壓縮空氣儲能兩類儲能設(shè)備,本文參考文獻(xiàn)［18］的做法:將IEC 61970 中的設(shè)備類繼承得到儲能單元類,與電池儲能系統(tǒng)類、水庫類、壓縮空氣儲能電廠類成聚集關(guān)系；儲能單元類與儲能充電單元類、儲能放電單元類成聚集關(guān)系,每個(gè)充放電單元可以包含一個(gè)或多個(gè)儲能單元；將IEC 61970 中的Plant 類繼承得到儲能電站類,儲能電站由儲能充電單元和儲能放電單元組成,因此儲能電站類與儲能充電單元類、儲能放電單元類成聚集關(guān)系。上述儲能系統(tǒng)的建模詳見文獻(xiàn)［18］附錄A 圖A3。

2）將IEC 61970 中的風(fēng)電機(jī)組、光伏電站、儲能充電單元、儲能放電單元繼承從而在IEC 62325 中得到市場風(fēng)電機(jī)組類、市場光伏電站類、市場儲能充電類、市場儲能放電類。在IEC 62325 市場系統(tǒng)外部輸入包中,定義風(fēng)電機(jī)組動態(tài)數(shù)據(jù)類、光伏電站動態(tài)數(shù)據(jù)類、儲能充電動態(tài)數(shù)據(jù)類、儲能放電動態(tài)數(shù)據(jù)類用于描述與潮流計(jì)算和狀態(tài)估計(jì)相關(guān)的參數(shù)（屬性如圖4 所示）,風(fēng)電機(jī)組、光伏電站、儲能充放電類與其動態(tài)數(shù)據(jù)類均存在關(guān)聯(lián)關(guān)系市場風(fēng)電機(jī)組類與風(fēng)電機(jī)組動態(tài)數(shù)據(jù)類存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4 新能源消納業(yè)務(wù)信息模型定義Fig.4 Definition of business information model for renewable energy accommodation

3）將IEC 62325 中的注冊資源類繼承得到注冊風(fēng)電機(jī)組類、注冊光伏電站類、注冊儲能充電類、注冊儲能放電類,這4 個(gè)類與第2 章定義的面向新能源消納評估的“信息-物理-社會”標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型中的NWPAnalog 類、NWPMeasurement 類 存 在 關(guān) 聯(lián)關(guān)系。由于注冊資源類與能量市場類、通用約束類均存在關(guān)聯(lián)關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)限制峰風(fēng)電機(jī)組爬坡措施以及在容量市場考慮新能源出力因素。

本章僅列舉了4 種促進(jìn)新能源消納措施,旨在闡述如何將這些措施通過直接復(fù)用、擴(kuò)展IEC 62325 市場運(yùn)營包等方式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化信息模型構(gòu)建。其余的促進(jìn)新能源消納措施標(biāo)準(zhǔn)化信息模型均可采用本章的方法進(jìn)行構(gòu)建。

4 應(yīng)用

4.1 冀北地區(qū)新能源消納應(yīng)用現(xiàn)狀

冀北地區(qū)是中國風(fēng)能資源極其豐富的地區(qū),其中,張家口、承德均屬于二類風(fēng)資源區(qū)。近幾年,冀北地區(qū)風(fēng)能資源開發(fā)較為充分,風(fēng)電裝機(jī)容量以每年15%左右速度增長。目前,新能源技術(shù)改造、提升安全穩(wěn)定裕度、精細(xì)化調(diào)度管理等措施提升效果趨于飽和,新能源棄電率下降逐步趨緩,針對未來更高比例的新能源發(fā)展目標(biāo),有必要精細(xì)化新能源消納能力評估因素,探索市場環(huán)境下提升新能源消納能力的措施。

冀北電網(wǎng)現(xiàn)有的新能源智能調(diào)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［5,21］框圖如附錄D 圖D1 所示。冀北電網(wǎng)自主研發(fā)的新能源智能調(diào)控應(yīng)用位于管理信息大區(qū)的信息外網(wǎng)中,應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（發(fā)電集團(tuán)信息、電廠信息、計(jì)劃單元信息、機(jī)組基本信息、機(jī)組調(diào)度信息、火電機(jī)組信息等）與運(yùn)行數(shù)據(jù)（火電廠燃煤、日前發(fā)電能力、年度計(jì)劃、月度電量、系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測、機(jī)組出力等）,應(yīng)用通過兼容國家電網(wǎng)有限公司公共信息模型（State Grid common information model,SG-CIM）的E 文件與安全三區(qū)中的外網(wǎng)全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,并通過物理隔離裝置與安全二區(qū)中的上級調(diào)度數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4.2 市場環(huán)境下新能源消納應(yīng)用的信息集成架構(gòu)及應(yīng)用效果

根據(jù)4.1 節(jié)可知冀北電網(wǎng)現(xiàn)有的新能源智能調(diào)控管理系統(tǒng)尚未接入社會類信息,也未構(gòu)建市場環(huán)境下的應(yīng)用。因此,基于本文提出的面向新能源消納的信息-物理-社會標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型,對冀北現(xiàn)有調(diào)控云平臺基礎(chǔ)功能擴(kuò)展提升,實(shí)現(xiàn)了新能源消納應(yīng)用之間的信息集成,具體方案如圖5 所示。

圖5 市場環(huán)境下新能源消納應(yīng)用的信息集成架構(gòu)Fig.5 Information integration architecture for renewable energy accommodation application under market environment

以市場環(huán)境下新能源有功自動控制為例,對信息集成架構(gòu)進(jìn)行說明,該構(gòu)建思路及研發(fā)思路見附錄E。該應(yīng)用的信息集成過程如附錄E 圖E2 所示。

1）建立映射策略實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化信息模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的轉(zhuǎn)化,即將標(biāo)準(zhǔn)信息模型設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換成GBase8g 物理建表腳本；

2）以映射策略為基礎(chǔ)在國網(wǎng)云平臺中構(gòu)建統(tǒng)一分析服務(wù),實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用與全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心之間的交互接口,避免了在應(yīng)用構(gòu)建時(shí)的數(shù)據(jù)交互過程以及其帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)；

3）通過分布式服務(wù)總線完成該應(yīng)用與安全一區(qū)自動發(fā)電控制應(yīng)用之間的業(yè)務(wù)交互。

表4 為應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化信息模型前后該應(yīng)用進(jìn)行信息集成過程的對比。從對比結(jié)果可以看出,應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型后,數(shù)據(jù)交換的效率以及安全性均得到了提高,很好地滿足了國家電網(wǎng)關(guān)于信息系統(tǒng)建設(shè)的要求。

表4 建模前后對比Table 4 Comparison before and after modeling

本文構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型與TimeSeries類［12］等動態(tài)數(shù)據(jù)類相關(guān)聯(lián),因而基于本文構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型的組件接口、XML 接口、E 文件均支持對動態(tài)數(shù)據(jù)的處理,因此應(yīng)用間的信息集成對動態(tài)數(shù)據(jù)存在較好的支持。

5 結(jié)語

本文以市場環(huán)境下促進(jìn)新能源消納、發(fā)揮數(shù)據(jù)資源價(jià)值為目標(biāo),設(shè)計(jì)了面向新能源消納的信息-物理-社會標(biāo)準(zhǔn)化信息模型并應(yīng)用,主要結(jié)論如下:

1）設(shè)計(jì)了“消納評估模型層-電力市場運(yùn)營管理層”的兩橫兩縱新能源消納信息架構(gòu)；基于“現(xiàn)象-數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)提供者”模式構(gòu)建了新能源消納數(shù)據(jù)模型；構(gòu)建了新能源消納應(yīng)用的信息集成架構(gòu),提升了數(shù)據(jù)交換的效率及安全性,對進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)新能源消納高級應(yīng)用軟件的開發(fā)有一定借鑒意義。

2）本文構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型涵蓋了風(fēng)光儲的物理建模、市場環(huán)境下的促進(jìn)新能源消納措施的業(yè)務(wù)建模,改善了目前虛擬電廠標(biāo)準(zhǔn)研究側(cè)重于通信協(xié)議的現(xiàn)狀［22］,可以為國家電網(wǎng)有限公司主導(dǎo)發(fā)起的虛擬電廠“架構(gòu)與功能要求”和“用例”兩項(xiàng)IEC標(biāo)準(zhǔn)［23］提供參考,為“國網(wǎng)冀北虛擬電廠示范工程”［24］提供了信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。以促進(jìn)新能源消納為目標(biāo),本文對IEC CIM 標(biāo)準(zhǔn)的模型部分進(jìn)行了擴(kuò)展,其通信協(xié)議部分也可適用于虛擬電廠的通信架構(gòu),為數(shù)據(jù)匯聚和管理、智能終端互聯(lián)、虛擬電廠互動水平的提高以及信息交換提供技術(shù)支撐［25］。

3）本文構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型為信息-物理-社會系統(tǒng)仿真工具［26］提供了信息模型支撐。

未來工作重點(diǎn):1）調(diào)研并收集更詳細(xì)的新能源消納評估相關(guān)數(shù)據(jù)、資料,按照本文設(shè)計(jì)思路進(jìn)一步完善面向新能源消納的信息-物理-社會標(biāo)準(zhǔn)化信息模型；2）分析歸納出各類市場環(huán)境下促進(jìn)新能源消納措施的業(yè)務(wù)模型,總結(jié)出通用的標(biāo)準(zhǔn)化模型用以補(bǔ)充IEC 標(biāo)準(zhǔn)。

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